Biomonitoring von polycyclischen aromatische Kohlenwasserstoffen (PAH)

Scherenberg, M.; Seidel, A.

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) entstehen bei unvollständigen Verbrennungsprozessen von organischem Material.

Entsprechend ihrer Häufigkeit und ihrer kanzerogenen Potenz hat die US- Umweltbehörde EPA 16 PAHs ausgewählt, die in dieser Zusammenstellung häufig bei Umgebungsuntersuchungen in der Arbeits- und Umweltmedizin bestimmt wer- den.

Die umweltmedizinische Belastung erfolgt vornehmlich über das Rauchen. Nahrung (z.B. Pflanzenfette und -öle, gegrilltes Fleisch, geräucherter Fisch), Passivrauchen, und Hausstaub bei Kindern stellen ebenfalls relevante Aufnahmewege dar. Teerhal- tige Parkettkleber und Behandlung mit Teersalben stellen eine erhebliche Belastung dar, sind jedoch nur noch von historischem Interesse.

An bestimmten Arbeitsplätzen ist eine teils erhebliche Aufnahme möglich. Folgende Arbeitsplätze bzw. Tätigkeiten werden in der Literatur genannt: Kokerei, Aluminium- herstellung, Kohleelektrodenherstellung, Teertränkanlagen, Gießereien, Eisen- und Stahlerzeugung, Feuerfestbau, Gussasphaltverarbeitung, Motoremissionen – insbe- sondere von Dieselmotoren – und Arbeiten mit gebrauchten Motorschmierölen sowie Sanierung von PAH in Innenräumen.

Die akute Toxizität von PAH ist in arbeits- und umweltmedizinisch relevanten Kon- zentrationen gering. Die chronische Toxizität liegt in der Verursachung an der Bil- dung von bösartigen Tumoren, insbesondere der Lunge und der Haut. Vorausset- zung für die Entstehung eines Malignoms ist die Wechselwirkung mit der Erbsub- stanz DNA. Maßgröße für das Risiko der Krebsentstehung ist das unit risk. Gemeint ist das geschätzte zusätzliche lebenslange Krebsrisiko für eine Person, die

• lebenslang (70 Jahre)

• einer Einheitskonzentration

Unterschiedliche PAHs besitzen unterschiedliche karzinogene Potenz. Zur Ver- gleichbarkeit und Bewertung von PAH-Gemischen wird der Toxic Equivalence Factor (TEF) eingeführt, der die krebserzeugende Wirkung auf Benzo[a]pyren bezieht, wel- ches auf 1 normiert wird.

An unterschiedlichen Arbeitsplätzen ist das Spektrum der verschiedenen PAHs ver- schieden, jedoch können auch am gleichen Arbeitsplatz abhängig von den augen- blicklichen Arbeitsbedingungen und den verwendeten Stoffgemischen unterschiedli- che Profile von PAH auftreten. Dies ist beim Biomonitoring zu berücksichtigen.

Aufnahmepfade für PAH am Arbeitsplatz sind die Inhalation und die dermale Re- sorption. Im Intermediärstoffwechsel werden zur Entgiftung von PAH Phenole gebil- det, die insbesondere nur von niedermolekularen überwiegend nichtkarzinogenen PAH gut im Urin ausgeschieden und daher zum Biomonitoring herangezogen wer- den. Zurzeit stehen zur Routinebestimmung 1-OH- und 2-OH-Naphthalin, 1-OH- Pyren sowie verschiedene isomere OH-Phenanthrene als Biomarker einer PAH Be- lastung zur Verfügung. Auch das 3-OH-Benzo[a]pyren, welches sich vom karzinoge- nen Benzo[a]pyren (BaP) ableitet, ist ein Belastungsmarker, der allerdings nur in äu- ßerst geringen Mengen im Urin ausgeschieden wird.

Voraussetzung für die Krebsentstehung durch PAH ist die Wechselwirkung mit der Erbsubstanz DNA, die durch im Stoffwechsel gebildete reaktive Metaboliten zustan- de kommt und zu DNA-Addukten führt. Beim BaP, der Leitsubstanz für PAH- Gemische, stellt das BaP-7,8-diol-9,10-epoxid den entscheidenden Metaboliten dar.

Die Hydrolyseprodukte dieser Metaboliten, die so genannten Tetrole, könnten daher

als Beanspruchungsmarker für die biologisch effektive Dosis dienen. Da diese Meta-

boliten des BaP jedoch aufgrund der geringen Konzentration nicht leicht im Urin be-

stimmt werden können, wird als Surrogatmarker das Phenanthren-tetrol vorgeschla-

gen, dass sich vom nichtkarzinogenen Phenanthren ableitet und aufgrund seiner

Biomonitoring PAH Biomonitoring PAH

Dr. Michael Scherenberg Dr. Michael Scherenberg

www.workability.de www.workability.de

Velbert Velbert Priv.

Priv. - - Doz Doz . Dr. Albrecht Seidel . Dr. Albrecht Seidel Biochemisches Institut f

Biochemisches Institut fü ür r Umweltcarcinogene Umweltcarcinogene, ,

PAH - Entstehung

Entstehung von PAH im

Rahmen unvollständiger

Verbrennungsprozesse

EPA - PAH

Auswahl nach:

Î Vorkommen

Î Karzinogenität

unit risk – Konzept (EPA) unit risk:

• geschätztes zusätzliches lebenslanges Krebsrisiko für eine Person, die

Î lebenslang (70 Jahre)

Î einer Einheitskonzentration ausgesetzt ist.

• Als akzeptabel gilt ein zusätzliches Krebsrisiko von

1 : 10 000 bis 1 : 1 000 000

unit risk für PAH

• unit risk der WHO:

Î Benzo(a)pyren in einer Spanne von 8 bis 10 x 10 ^-2 pro µg/m³ BaP.

• Der EU-Zielwert für PAH beträgt 1 ng/m³ BaP.

Î Dies entspricht einem Risiko von 8,7 x 10 ^-5 .

Akute Toxizität von PAH

• In arbeits- und umweltmedizinisch vorkommenden Mengen geringe akute Toxizität

• Bekannt sind:

Î Photosensibilisierung

Î Einige PAH: Einfluss auf das lymphatische System

• Atrophie von Milz und Lymphknoten

• Leukopenie

Î Einfluss auf Wechselgewebe

• Hämatopoiese

• Intestinale Epithelien

• Nebenniere

Chronische Toxizität von PAH

• Kanzerogenität

Î Haut

Î Lunge

Î Blase (zusammen mit aromatischen Aminen)

Plattenepithelcarcinom der Haut

Plattenepithelcarcinom der Lunge

DNA-Schädigung durch PAH und Metabolite

O

OH HO

OH HO

OH HO

O

NH NH N N

N

O

OH HO

O HO O O CYP1A1

CYP1B1

mEH

HO

OH O

HO Hb

B[a]P - Ester-Hb-Addukt

B[a]P - N²-Desoxyguanosin- DNA-Addukt

B[a]P - 7,8-oxid

O

B[a]P - trans-7,8-diol

O N B[a]P - trans-7,8-diol

H

B[a]P - 7,8-diol- 9,10-epoxid CYP1A1

CYP1B1

DNA Benzo[a]pyren (B[a]P)

Belastung aus der Umwelt

• Nahrung

Î Pflanzenfette und –öle

Î Gegrilltes Fleisch

Î Geräucherter Fisch

Î Babynahrung

Î Grillen

• Rauchen

• Passivrauchen

• Hausstaub bei Kindern

• Teerhaltige Parkettkleber

• Behandlung mit Teersalben

Grenzwerte für Nahrungsmittel

Î 2 ppb

Î 5 ppb

Î 1 ppb

PAH – Studie Umweltbundesamt Österreich

PAH – Studie Umweltbundesamt Österreich

Rückgang der Emissionen durch

Î Verbot des Verbrennens von Stroh in der Landwirtschaft

Î Einstellung der Primärproduktion von Aluminium in

Österreich

PAH – Kleber für Parkettböden

Berufliche Belastung mit PAH

• Hautkrebs an der Skrotalhaut

• Erstbeschreibung von Percival

Pott bei Kaminkehrern 1775

Berufliche Belastung mit PAH

• Kokerei

• Aluminiumherstellung

• Kohleelektrodenherstellung

• Teertränkanlagen

• Gießereien

• Eisen- und Stahlerzeugung

• Feuerfestbau

• Gussasphalt

• Motoremissionen, insbesondere Dieselmotoren

• Gebrauchte Motorschmieröle

• Sanierung von PAH in Innenräumen

PAH – Profile bei Gussasphaltverarbeitung

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Flu or an th en

Py re n

[a]a nth ra ce n

Ch ry se n

luo ira nt he ne

nz o[ e]p yr en

nz o[ a]p yr en

Pe ry len

gh i]p er yle n

Bitumen C Bitumen B Bitumen A

Fb 431

PAH – Profile in % an verschiedenen Arbeitsplätzen

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Gussasphaltverarbei...

Anodenherstellung

Stahlhärtung

Gesenkschmiede

Kokere i

Benzo[a]pyren Benzo[e]pyren Benzofluoranthene Chrysen

Benz[a]anthracen

Fb 431

Für das Biomonitoring stehen zur Verfügung:

OH

OH

OH OH

1-OH- und 2-OH-Naphthalin

1-OH-Phenanthren

1-OH-Pyren

Tetrole

OH O

H O H

O H

OH OH O

H

O H

1,2,3,4 Tetrol des Phenanthrens

7,8,9,10 Tetrol des Benzo[a]pyrens

O

OH OH O

OH HO

OH HO

O

OH HO

HO OH

OH OH

OH OH

O OH

HO 6

7 10

1

9

11 2 12

CYP450 O₂

2

10 3

6

3 4 5 8

4

7 5

8 9

Phenanthrene (PHE)

1

CYP450 O₂

mEH H₂O

B[a]P B[a]P-7,8-oxide B[a]P-trans-

7,8-diol

anti-B[a]P-7,8-diol- 9,10-oxide

trans, anti-B[a]P- tetrol

CYP450 O₂

mEH CYP450 H₂O

O₂ PHE-1,2-oxide PHE-trans-

1,2-diol

anti-PHE-1,2-diol- 3,4-oxide

trans, anti-PHE- tetrol

Hecht et al (2003) Cancer Epidemiol Biomark & Prev, 12, 1501-1508

Toxic Equivalence Factors (TEF) für PAH

EPA TEF EPA/EFSA TEF EFSA TEF

Naphthalin 0,001 Benzo[a]anthracen 0,1 Benzo[c]fluoren Acenaphthylen 0,001 Benzo[a]pyren 1 5-Methylchrysen

Acenaphthen 0,001 Benzo[b]fluoranthen 0,1 Dibenzo[a,l]pyren 10 Fluoren 0,001 Benzo[k]fluoranthen 0,1 Dibenzo[a,h]pyren 10 Phenanthren 0,001 Benzo[ghi]perylen 0,001 Dibenzo[a,i]pyren 10

Pyren 0,001 Chrysen 0,001 Dibenzo[a,e]pyren 1

Fluoranthen 0,001 Indeno[1,2,3-cd]pyren 0,1 Benzo[j]fluoranthen 0,1

Anthracen 0,01 Dibenzo[a,h]anthracen 1 Cyclopenta[cd]pyren 0,1

Biomonitoring von PAH bei Konverterzustellung

1-OH-Pyren [µg/g Krea]

56,88

25,34 14,79

128,63

380,66

98,87

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

A B C A B C

Konverter 1 Konverter 2

Quelle

Wasser, Luft, Nahrung, Boden, Staub, Sedimente

Exposition

Ingestion

Inhalation Hautresorption

Innere Belastung

Belastung des Zielorgans Verteilung Stoffwechsel

Elimination

Biologisch effektive Dosis

Effekt

Toxikodynamische Prozesse

Tetrole/ Triole

Hecht, S. S. J Natl Cancer Inst 1999;91:1194-1210

Metabolismus des Benzo[a]pyrens

Krebsentstehung

Phenole

Berufliche Belastung: 1 OH-Pyren im Urin

< 0,2 Automechaniker

< 0,2 Straßenarbeiter

< 0,2 Fleischräucherei

0,2 – 1 Eisengiesserei

0,2 – 1 Kaminkehrer

1 - 20 Karbolineumherstellung

1 - 20 Aluminiumherstellung

1 - 20 Teerdestillation

1 - 20 Carbonelektrodenherstellung

1 - 20 Kokereiarbeiter

[µmol/mol Kreatinin]

Quelle: biomonecs

Umweltbelastung: 1 OH-Pyren im Urin

1 - 20 Bewohner von Häusern mit

teerhaltigen Parkettklebern

1 – 20 Raucher

> 20 Behandlung mit teerhaltigen

Externa

[µmol/mol Kratinin]

Quelle: biomonecs

Referenzwert

• Referenzwert

Î das 95. Perzentil der Messwerte der

Stoffkonzentration in dem entsprechenden

Körpermedium der jeweiligen Referenzpopulation

Humane Biomonitoring-Werte (HBM)

• HBM I

Î bei Unterschreiten keine gesundheitliche Beeinträchtigung zu erwarten

Î daher kein Handlungsbedarf

• HBM II

Î Interventions- und Maßnahmenwert

• Werte zwischen HBM I und HBM II

Î Kontrolle

Î ggf. Sanierung identifizierter Belastungsquellen

Referenz- und HBM-Werte für 1-OH-Pyren

• Referenzwert

Î Zielgruppe:

• nicht rauchende

Allgemeinbevölkerung (3-69 Jahre)

Î Referenzwert

• 0,5 µg 1-Hydroxypyren/l Urin

• 0,3 µg 1-Hydroxypyren/g Kreatinin

• HBM:

Î Wegen Krebs erzeugender Eigenschaften der PAH

nicht abgeleitet

Grenzwert Arbeitsmedizin

• Grenzwerte nach der Gefahrstoffverordnung (2005):

Î TRK-Werte aufgehoben

Î Arbeitsplatzgrenzwert (AGW)

Î Für krebserzeugende Gefahrstoffe nicht angegeben

1-OH Pyren und Rauchen

mittlere relative Zunahme des 1-Hydroxypyren-Gehaltes im Morgenurin

mit 95% Konfidenzintervall.

• Die Konzentration aller Biomarker für PAH liegt bei Rauchern deutlich höher als bei Nichtrauchern

• Grenzwerte und Vorsorgewerte müssen dies berücksichtigen

Î Verschiedene Grenzwerte für Raucher und

Nichtraucher

Probenahmezeitpunkt

• Bei Kontinuierlichen Belastungen nach Einstellen eines steady state

Î nach 3 Schichten in Folge

• Bei singulären Belastungen am Schichtende

• Leerwert

Î bei wissenschaftlichen Fragestellungen

Î bei geringer Belastung

Î Verzicht bei bekannter Größenordnung der

Biomonitoring-Werte möglich

Möglichkeiten des Biomonitoring

• Kontrolle von Schutzmaßnahmen

• Arbeitsmedizinische Vorsorge

• Wenig Hilfe zur Bestimmung des individuellen Risikos

Î Belastungsmarker

Î Wenig gute Beanspruchungsmarker

Tetrol des

Benzo[a]pyrens 3-OH-Benzo[a]pyren

• Schwieriger Nachweis

Diole und Tetrol des Phenanthrens 1-OH-Pyren

OH-Phenanthrene OH-Naphthaline

• Leichter Nachweis

Beanspruchungs- marker

Belastungsmarker

Fazit

Belastung durch andere Faktoren: Hitzearbeit

• Hautresorption

• Konzentration im Urin bei mangelnder

Flüssigkeitszufuhr

Praktische Hinweise

Kosten des Biomonitorings

• Laborkosten

Î n-OH-Phenanthrene 78,69 €

Î 1-OH-Pyren 52,46 €

Î 1- und 2-OH-Naphthalin ??

• Andere Kosten

Î Wegstreckenkosten

Î Arbeitskosten